混合動力汽車轉矩分配策略優化研究

李燦， 楊靖,， 馮仁華， 鄧華， 江武， 張宇

(1. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室， 湖南 長沙 410082； 2. 重慶理工大學汽車零部件及先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

混合動力汽車轉矩分配策略優化研究

李燦1， 楊靖1,2， 馮仁華2， 鄧華1， 江武1， 張宇1

(1. 湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室， 湖南 長沙 410082； 2. 重慶理工大學汽車零部件及先進制造技術教育部重點實驗室， 重慶 400054)

以搭載改型后的Atkinson循環發動機并帶有雙離合器的單軸并聯式混合動力三廂轎車為研究對象，采用邏輯門限值控制方法對發動機和電機的轉矩進行合理分配，使混合動力系統在各種行駛工況模式下能夠實時切換到高效工作區；引入各個駕駛工況模式控制策略的瞬時優化算法，進一步提高混合動力總成系統的整體效率。仿真和試驗對比分析表明，提出的控制策略能夠有效地降低NEDC循環工況百公里油耗，提高了搭載Atkinson循環發動機混合動力汽車的燃油經濟性。

Atkinson循環； 混合動力； 邏輯門限值； 控制策略； 瞬時優化

目前受技術發展的制約，新能源汽車的動力電池、電機等技術還不夠成熟可靠，因此需要一種過渡的油電混合驅動汽車(hybrid-electric vehicle，HEV)[1]。合理分配轉矩的控制策略是優化混合動力總成的關鍵技術之一。目前國內對混合動力客車的研究已經較多，但是對以現有傳統Otto循環發動機平臺為原型，將其改型為車用專用混合動力總成系統的研究較少。

本研究以某三廂乘用車傳統發動機為原型，將其改為單軸并聯式混合動力總成系統。利用Atkinson發動機的優勢將其作為主要動力源，在進行關鍵零部件選型匹配的基礎上，采用邏輯門限值控制策略合理分配發動機、電機轉矩，能夠實時切換混合動力幾種典型工作模式。在此基礎上對各個模式控制策略進行瞬時優化，即在駕駛員功率請求下，保持整車動力性不變，以動力總成系統效率最高為目標函數，確保整個動力總成系統的效率達到最高。

1 HEV動力汽車結構

1.1 混合動力參數及設計指標

原型三廂乘用車整車參數見表1。該混合動力汽車設計指標如下：

1) 0—100 km/h加速時間t<15 s；

2) 最高車速v≥145 km/h；

3) 最大爬坡度(混合驅動)大于等于30%；

4) NEDC循環工況100 km燃油消耗量小于4.5 L。

表1 整車參數

1.2 動力總成方案設計

在原型車Otto循環發動機的基礎上，通過重新設計活塞、優化燃燒室容積、重新設計配氣機構、調整氣門正時等技術手段實現Atkinson循環，具體實施及參數選擇可參考文獻[2]。串聯式混合動力汽車對傳輸效率要求不高，但能量傳遞方式單一，且對電機要求高，成本高；混聯式混合動力汽車結構復雜、零部件多、控制難度大且成本較高；并聯式混合動力汽車有其獨特的優點，結構、控制策略相對混聯式簡單得多[3]；尺寸、整車質量相對串聯式汽車小。從動力性、續駛里程及整車效率方面看，并聯式混合動力汽車更適合于城市工況。綜合考慮，本研究選擇帶雙離合器的單軸并聯式結構(見圖1)，動力系統零部件參數見表2。

圖1 動力系統結構示意

部件參數Atkinson發動機最大功率/kW60．84最大轉矩/N·m117．6最低燃油消耗率/g·(kW·h)-1234．8ISG電機最大功率/kW26額定功率/kW15額定轉矩/N·m48最大轉矩/N·m96額定轉速/r·min-12800最大轉速/r·min-16000磷酸鐵鋰電池電池組容量/A·h20電池單體數量/個96電池組總電壓/V316．8CVT無級變速器速比0．442～2．432主減速比5．297

2 控制策略

混合動力控制系統可以根據駕駛員的轉矩要求合理分配發動機和電機的轉矩，盡可能地提高混合動力汽車整車燃油經濟性，從而達到節能減排的目標[4]。目前混合動力控制策略主要采用邏輯門限值、模糊邏輯和動態自適應等方法。其中，邏輯門限值控制策略目前應用最多。

2.1 控制策略的設計原則

根據本研究設計的雙離合ISG 混合動力汽車的動力總成特點和性能要求，控制策略的設計應遵循以下原則[5]:

1) 電機盡可能工作在高效區，發動機工作在髙效低排放工況區；

2) 為保證其使用壽命，要確保動力電池的SOC 處于合理、高效范圍內，避免頻繁和過度充放電；

3) 若動力電池電量允許，在起動工況和低負荷工況盡可能采用ISG電機起動和驅動，在怠速停車時，應考慮關閉發動機；

4) 在整車運行過程中，應盡量避免工作模式頻繁切換。

2.2 整車控制策略的設計

混合動力汽車最終的能量來源于發動機，因此，設計控制策略時盡量使發動機在其高效率區工作。根據駕駛員的轉矩請求來分配發動機和電機之間的轉矩[6]，具體實施步驟如下：

1) 確定駕駛員轉矩需求；

2) 選擇工作模式；

3) 合理分配發動機、電機之間的轉矩并進行CVT速比的控制。

本研究混合動力汽車動力總成中，Tr=Te+TISG。式中：Tr為駕駛員需求轉矩；Te為發動機輸出轉矩；TISG為ISG電機輸出轉矩。

整車需求轉矩數學模型：

驅動狀態，Tr=a·Ta_max；

制動狀態，Tr=b·Tb_max。

式中：Tr為整車需求轉矩；a為油門踏板開度；b為制動踏板開度；Ta_max為整車動力源外特性轉矩；Tb_max為整車最大制動轉矩。

2.3 工作模式的劃分及轉矩分配

發動機邏輯門限值的設定主要包括發動機轉速、轉矩和電池的荷電狀態(見圖2)。發動機是混合動力汽車最終的能量來源，因此控制策略盡量使發動機在其高效率區工作，為此，以線1、線2、線3、線5、線7為界，將Atkinson循環發動機分為A，B，C，D，E5個區域。其中線1為發動機起動、關閉分界轉速，本研究中取值1 200r/min；線2為電機常用工況外特性轉矩(T2)曲線；線3為發動機高效工

圖2 發動機工作區域劃分

作區最低轉矩(T3)曲線；線4為Atkinson循環發動機燃油消耗率最優曲線；線5為發動機高效工作區最高轉矩(T5)曲線；線6為Atkinson循環發動機外特性轉矩曲線；線7為發動機+ISG電機外特性轉矩(T7)曲線。電池荷電狀態SOC的門限值主要基于充放電頻率和電機驅動整車的時間進行考慮，本研究中電池工作的荷電狀態SOC值變化范圍在0.3～0.8之間。

混合動力汽車動力總成的轉矩分配策略如下：

1) 汽車起步時，CVT輸入軸轉速處于A區，即車速V≤15 km/h或輸入軸轉速nin≤1 200 r/min，電池荷電量SOC>0.3，ISG電機單獨驅動；低負荷勻速請求轉矩處于B區時，即車速V>15 km/h且nin≤1 200 r/min，Tr0.3，ISG電機單獨驅動。以上稱為純電機驅動模式，發動機與電機的離合器C1斷開，電機與CVT離合器C2閉合。

2) 當SOC≤0.3或者請求轉矩處于C區即T215 km/h且nin>1 200 r/min，SOC<0.8時，發動機帶動電機發電，稱為主動充電模式，此時C1和C2都閉合。

3) 當請求轉矩在動力源轉矩再分配區，即T315 km/h且nin>1 200 r/min，SOC>0.3時，在發動機保持動力性不變的前提下以動力總成效率ηsys最大為目標，采用純發動機驅動模式，此時C1和C2都閉合。

4) 當駕駛員請求轉矩位于E區，此時已超出發動機高效區最高扭矩，即T515 km/h且nin>1 200 r/min，SOC>0.3，采用發動機電機混合驅動模式，此時C1和C2都閉合。

根據駕駛員需求轉矩合理分配發動機和電機的工作狀態，使汽車行駛時在不同模式間切換[7]。混合動力汽車工作模式和能量流動見圖3。

圖3 混合動力汽車工作模式及能量流動

為了驗證搭載Atkinson循環發動機的混合動力汽車轉矩分配控制策略是否正確合理，在整個NEDC循環工況中，對發動機的工作點進行采樣，工作點統計分布見圖4。

以電機將動力電池的電能轉換成的機械能與發動機將汽油的熱能轉換成的機械能為等價關系，計算電能消耗對應的等價油耗，進而求得整車100 km綜合油耗。從表3看出，搭載Atkinson循環發動機的混合動力汽車較搭載原Otto循環發動機的混合動力汽車綜合燃油消耗量可降低17.6%，這表明對于混合動力車而言，Atkinson循環發動機比傳統的Otto循環發動機更有節能優勢。

圖4 Atkinson循環發動機工作點分布

發動機類型100km燃油消耗量/L100km電能消耗量/kW·h100km綜合燃油消耗量/LOtto循環發動機4．841．985．45Atkinson發動機4．360．414．49

3 動力總成系統的效率優化

混合動力源包括發動機和ISG電機，雖然邏輯門限值控制具有很好的魯棒性和較高的計算效率，但是邏輯門限值轉矩分配策略是基于Atkinson發動機在整個萬有特性圖中最低燃油消耗率而制定的，所以整個動力總成系統的效率并不是最高。為了克服上述缺陷，引入瞬時優化算法對以上轉矩分配策略進行校正和優化[8]。

3.1 不同驅動模式效率優化

由于發動機、ISG電機和CVT效率基于試驗測試測得，沒有數學模型進行具體描述，而且擬合的函數誤差較大，因此采用網格遍歷法求解。在駕駛員請求功率Phev下，在保持動力性不變的前提下以動力總成效率ηsys最大為目標，對動力源轉矩再分配，達到瞬時優化的目的。

動力總成系統效率：

式中：ηsys為動力總成系統效率；ig和TCVT_in分別為CVT速比和輸入扭矩；fc(ig，TCVT_in)為CVT效率函數；nm和Tm分別為電機輸出轉速和轉矩；f(nm，Tm)為電機效率函數；ne和Te分別為發動機輸出轉速和轉矩；f(ne，Te)為發動機效率函數；ε和m分別為發動機和電機效率函數系數，純電機驅動模式ε=0，其余模式ε=1，純電機驅動和混合驅動模式m=1，其余模式m=0；主動充電模式φ=Tm，其余模式φ=0。

目標函數：Y=max(ηsys)；

優化變量：X={ig，Te，Tm}。

根據轉矩分配策略模式的劃分，分別以轉矩、速比和轉速為約束條件，在可行域內對車速和行駛功率Phev組合，CVT速比在0.442～2.432范圍內以0.002步長變化，當混力總成系統效率ηsys最大時，所對應的電機、發動機轉矩和CVT速比為該組合下的最優轉矩和速比。

3.2 優化結果分析

從圖5看出，在整個NEDC循環工況中，動力電池荷電量從初始值0.6變化至0.591，能夠很好地保持電量平衡，在高速制動時，動力電池回收能量效率較高。

圖5 NEDC循環工況動力電池荷電量

在整個NEDC循環工況中，統計不同模式下發動機工作點的分布情況。圖6表明，在發動機主動充電模式下，動力總成系統效率ηsys最高時，發動機工作點在燃油消耗率最優經濟線之上，且隨駕駛員請求功率的增大集中在一條線上。圖7表明，在純發動機驅動模式下，ηsys最高時，發動機工作點大部分集中在低速區域且在燃油消耗率最優經濟線之下。圖8表明，在混合驅動模式下，ηsys最高時，發動機工作點大部分集中在低速高效區最低轉矩線附近，隨駕駛員請求功率增大逐漸增大，但都分布在燃油消耗率最優經濟線之下。可以得出，混合動力汽車各模式下發動機經濟工況點并不在發動機燃油消耗率最低工況線上。

圖6 發動機主動充電模式下發動機工作點分布

圖7 純發動機驅動模式下發動機工作點分布

圖8 混合驅動模式下發動機工作點分布

控制策略優化后的整車油耗和電耗見表4。優化后整車的100 km燃油消耗量由4.36 L降到3.85 L，100 km電能消耗量由0.42 kW·h增加到0.51 kW·h，這是因為優化后電機較優化前負荷率變大，因此電量消耗增多。整個NEDC循環綜合100 km燃油消耗量由4.49 L降為4.04 L，整車燃油經濟性提高10.7%。在各個工作模式下，基于瞬時請求功率對控制策略全局優化，完成兩個動力源的轉矩優化分配和CVT速比控制優化，進一步提高了搭載Atkinson循環發動機的混合動力汽車的燃油經濟性。

表4 優化前后NEDC循環工況的電耗和油耗

3.3 試驗驗證

為了驗證優化策略的合理性，對改型后的動力總成效率進行試驗測試，總成效率測試結果以100 km燃油消耗量、100 km電能消耗量以及100 km綜合燃油消耗量數值體現。圖9示出改型后發動機機艙布置，圖10示出仿真數據和試驗數據的對比。

圖9 改型后發動機機艙及尾箱布置

圖10 優化前后仿真數據和試驗數據的對比

由圖10可以看出，采用優化策略后的仿真與試驗數據吻合度較高，說明本研究制定的混合動力汽車轉矩分配策略可行，可用于混合動力汽車經濟性的提升。

4 結論

a) 采用邏輯門限值控制策略合理分配發動機和電機的轉矩，搭載Atkinson循環發動機的混合動力汽車較搭載原Otto循環發動機的混合動力汽車綜合燃油消耗量可降低17.6%；

b) 引入瞬時優化算法后，在保持動力性不變的前提下以動力總成效率ηsys最大為目標，對動力源轉矩再分配，整車燃油經濟性相比優化前可提高10.7%。

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[編輯： 潘麗麗]

Optimization of Torque Allocation Strategy for Hybrid Electric Vehicle

LI Can1, YANG Jing1,2, FENG Renhua2, DENG Hua1, JIANG Wu1, ZHANG Yu1

(1. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body， Hunan University， Changsha 410082, China; 2. Key Laboratory of Advanced Manufacture Technology for Automobile Parts, Ministry of Education, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Taking a novel parallel hybrid sedan with dual clutch equipped with a retrofit Atkinson cycle engine as the research object, the logic threshold control method of distributing the torque of the engine and electrical machine reasonably was adopted so as to switch to the high efficiency working area in a variety of driving modes in time. The instantaneous optimization algorithm of various driving conditions was introduced to elevate the overall efficiency of hybrid system. The simulation results and comparative analysis show that the proposed optimization control strategy can effectively reduce the fuel consumption per 100 kilometers of NEDC cycle and hence improve fuel economy of vehicle carrying Atkinson cycle engine.

atkinson cycle; hybrid; logic threshold； control strategy; transient optimization

2017-04-10；

2017-06-27

李燦(1993—)，男，碩士，主要研究方向為發動機性能優化及混合動力搭載匹配；lican@hnu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.009

TK411.6

B

1001-2222(2017)04-0043-05